Uncovering the key technology of cryogenic drilling rig solid control system in extreme cold environment

يهدف نظام التحكم في المواد الصلبة في منصة الحفر المبردة إلى ضمان الفصل الفعال للمراحل الصلبة واستقرار أداء الطين في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة من خلال التآزر متعدد الوحدات، في حين يتم اتخاذ تدابير خاصة للتكيف مع بيئة درجات الحرارة المنخفضة لضمان التشغيل الطبيعي للنظام في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة.

في مجال استكشاف وتطوير النفط والغاز، ومع نمو الطلب العالمي على الطاقة، تتوسع عمليات الحفر بشكل متزايد في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة مثل المناطق القطبية وخطوط العرض العليا. تُشكل بيئة درجات الحرارة المنخفضة العديد من التحديات لعمليات الحفر. أولًا، علينا أن ندرك أنه في بيئة درجات الحرارة المنخفضة، ستزداد لزوجة سائل الحفر بشكل كبير، وستصبح السيولة ضعيفة، مما لا يؤثر فقط على دوران سائل الحفر في البئر ويقلل من سعة حمل الصخور، بل قد يؤدي أيضًا إلى ارتفاع ضغط المضخة، وزيادة الحمل على المعدات، وحتى التسبب في أعطالها. في الوقت نفسه، قد تؤدي درجة الحرارة المنخفضة إلى انخفاض أداء بعض المواد المضافة في سائل الحفر، مما يؤثر على تأثيره المستقر على التكوين وتأثيره التزييتي على أدوات الحفر.

تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى تغير الخصائص الفيزيائية للمواد المعدنية، مثل انخفاض صلابتها وزيادة هشاشتها، مما يزيد من احتمالية تمزق الأجزاء الهيكلية للمعدات وخطوط الأنابيب وغيرها. كما تؤثر درجات الحرارة المنخفضة على أداء إحكام المعدات، مما يتسبب في تسرب سائل الحفر. في بعض المعدات التي تعتمد على نظام الدفع الهيدروليكي، تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى زيادة لزوجة الزيت الهيدروليكي وضعف سيولته، مما يؤدي إلى بطء عمل المعدات أو حتى توقفها عن العمل بشكل صحيح.

عند درجات الحرارة المنخفضة، تزداد احتمالية تجمع جسيمات الطور الصلب في سائل الحفر، مما يزيد من صعوبة فصل معدات التحكم في المواد الصلبة. علاوة على ذلك، فإن بعض المكونات الرئيسية في معدات التحكم في المواد الصلبة، مثل شبكة الغربال المهتزة، تكون أقل مرونة في درجات الحرارة المنخفضة وسهلة التلف، مما يؤثر على تأثير التحكم في المواد الصلبة. وباعتباره جهازًا رئيسيًا لضمان استقرار أداء سائل الحفر وتحقيق كفاءة الحفر، فإن أهمية نظام التحكم في المواد الصلبة في منصات الحفر منخفضة الحرارة واضحة. في هذه المقالة، سنناقش مبدأ العمل، وتركيب المعدات، والصعوبات التقنية، وجوانب أخرى لنظام التحكم في المواد الصلبة في منصات الحفر المبردة، لنقدم لكم فهمًا شاملًا لهذه المعدات التي تلعب دورًا مهمًا في البيئات شديدة البرودة.

1. مبدأ عمل نظام التحكم في المواد الصلبة في منصة التبريد العميق

تتمثل المهمة الأساسية لنظام التحكم في المواد الصلبة في منصة الحفر المبردة في التحكم الفعال في جسيمات الطور الصلب في سائل الحفر وفصلها في درجات حرارة منخفضة، وذلك للحفاظ على الأداء الجيد لسائل الحفر وضمان سلاسة عملية الحفر. يعتمد مبدأ عمله على مجموعة متنوعة من الطرق الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك الغربلة، والفصل بالطرد المركزي، والفصل بالجاذبية، وغيرها.

الغربال الاهتزازي، باعتباره الجهاز الأول في نظام التحكم بالمواد الصلبة، يفصل المواد الصلبة، مثل رقائق الصخور ذات الجسيمات الأكبر، عن سائل الحفر من خلال اهتزازات عالية التردد واستخدام شبكة غربال. أما جهاز إزالة الرمل، فيستخدم مبدأ الإعصار، تحت تأثير قوة الطرد المركزي، لجعل جسيمات الطور الصلب الأثقل في سائل الحفر، مثل جسيمات الرمل، تتدحرج حلزونيًا على طول الجدار الداخلي للإعصار، وتخرج من الأسفل، بينما يتدفق سائل الحفر المنقى من فتحة الفائض في الأعلى. يشبه مبدأ عمل جهاز إزالة الحمأة مبدأ جهاز إزالة الرمل، إلا أنه يتعامل مع جسيمات أصغر حجمًا. أما جهاز الطرد المركزي، فيفصل جسيمات الطور الصلب الدقيقة جدًا في سائل الحفر عن طريق الدوران بسرعة عالية لتحسين درجة تنقيته.

لضمان الأداء السليم لهذه الأجهزة في درجات الحرارة المنخفضة، عادةً ما تُجهّز أنظمة التحكم في المواد الصلبة بأنظمة مساعدة مثل العزل والتدفئة. على سبيل المثال، تُعزل خزانات وأنابيب الدوران لتقليل فقدان الحرارة؛ وتُركّب أجهزة تدفئة، مثل سخانات البخار والسخانات الكهربائية، في الخزانات أو الأجزاء الرئيسية من المعدات للحفاظ على درجة حرارة المعدات وسائل الحفر ضمن نطاق مناسب، وذلك لضمان التشغيل الطبيعي للمعدات في نظام التحكم في التصلب وتأثيره.

2. مكونات نظام التحكم في المواد الصلبة في منصة الحفر المبردة

1. معدات المعالجة الرئيسية

شاشة اهتزازية مبردة

صندوق الشاشة مصنوع من مادة مقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة، ومجهز بنظام تشحيم منخفض الحرارة ومحرك مضاد للتجمد.

يأخذ تصميم الشاشة في الاعتبار نفاذية الماء ومقاومة الصقيع تحت درجات الحرارة المنخفضة لمنع الطين من التجمد والانسداد.

جهاز إزالة الحمأة ذو درجة الحرارة المنخفضة

يتكون الإعصار من مواد سبائك مقاومة للتآكل ومقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة ومجهز بأختام منخفضة الحرارة.

تم تجهيز مضخة تغذية الملاط بتتبع حراري كهربائي أو سترة ماء ساخن لتجنب تصلب الملاط في خط الأنابيب.

أجهزة الطرد المركزي ذات درجة الحرارة المنخفضة

يتم تصنيع الأسطوانة والناقل اللولبي من سبيكة مبردة لمنع التشقق البارد الهش.

نظام تسخين متكامل (على سبيل المثال، دوران الزيت الساخن) للحفاظ على سيولة الملاط وتجنب ارتفاع اللزوجة عند درجات الحرارة المنخفضة.

2. الأنظمة المساعدة

أنظمة التدفئة والعزل

التتبع الحراري الكهربائي / سترات البخار: تغطي الأنابيب والخزانات وأسطح المعدات للحفاظ على درجات حرارة الملاط أعلى من 0 درجة مئوية.

العزل: يتم عزل الخزان والمكونات الرئيسية باستخدام رغوة البولي يوريثان أو الصوف الصخري لتقليل فقدان الحرارة.

نظام مضاد للتكثيف والدوران

المحرك: يتم تركيبه في خزان الملاط لمنع ترسب الطور الصلب وتخثر الملاط.

مضخة الدورة الدموية: مزودة بوحدة ضخ احتياطية لضمان الدورة المستمرة في درجات الحرارة المنخفضة وتجنب انسداد الأنابيب.

3.نظام الطاقة والقوة

معدات الطاقة المقاومة للبرد

يعتمد المحرك والنظام الهيدروليكي على مواد تشحيم منخفضة الحرارة لضمان بدء التشغيل الطبيعي في درجة حرارة أقل من -40 درجة مئوية.

يتم تجهيز مصدر الطاقة الاحتياطي (مثل مولد الديزل) بجهاز بدء تشغيل بدرجة حرارة منخفضة لمنع إيقاف التشغيل.

نظام تبادل حراري عالي الكفاءة

يقوم المبادل الحراري باستعادة الحرارة المهدرة من منصة الحفر لتقليل استهلاك الطاقة.

يوفر جهاز تسخين زيت الوقود (على سبيل المثال فرن الزيت الحراري) مصدرًا ثابتًا للحرارة للطين.

ثالثًا. الصعوبات التقنية لنظام التحكم الصلب في منصات الحفر المبردة

1. قدرة المعدات على التكيف مع درجات الحرارة المنخفضة

اختيار المواد: لمعالجة مشكلة انخفاض صلابة المواد المعدنية وزيادة هشاشتها في بيئات درجات الحرارة المنخفضة، تُستخدم في تصنيع المعدات مواد معدنية مقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة، مثل سبائك الفولاذ، وغيرها. أما بالنسبة لبعض المكونات الرئيسية، مثل شبكات الغربال المهتزة والأنابيب، فتُستخدم مواد بوليمرية خاصة أو مواد مركبة، تحافظ على مرونتها وخواصها الميكانيكية الجيدة في درجات الحرارة المنخفضة.

التزييت والعزل: يُنصح باختيار مواد تشحيم عالية الأداء في درجات الحرارة المنخفضة لضمان تشحيم المعدات بشكل صحيح في درجات الحرارة المنخفضة وتقليل تآكل الأجزاء المتحركة. وفي الوقت نفسه، يُنصح بتحسين هيكل عزل المعدات، واستخدام مواد عزل مقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة، مثل مطاط الفلور، لتحسين أداء عزل المعدات ومنع تسرب سائل الحفر والزيت الهيدروليكي.

تصميم التدفئة والحفاظ على الحرارة: تصميم معقول لنظام التدفئة والحفاظ على الحرارة يضمن تسخين المعدات بسرعة والحفاظ على درجة حرارة تشغيل مستقرة في بيئة منخفضة الحرارة. يتم ذلك من خلال حساب دقيق لفقدان الحرارة في المعدات، واختيار جهاز التدفئة ذي الطاقة المناسبة، واستخدام مواد وهياكل عالية الكفاءة للحفاظ على الحرارة، مما يقلل من تبديد الحرارة.

2. ضمان تأثير التحكم الصلب

تحسين معلمات المعدات: في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، تُحسَّن معلمات تشغيل معدات التحكم في المواد الصلبة وتُضبط وفقًا لتغيرات أداء سائل الحفر. على سبيل المثال، يمكن زيادة تردد وسعّة اهتزازات الشاشة الاهتزازية بشكل مناسب لتعزيز تأثير الغربلة؛ وضبط ضغط المدخل وسرعة دوران جهاز إزالة الرمل، وجهاز إزالة الطمي، وجهاز الطرد المركزي لتحسين كفاءة فصل المواد الصلبة.

زيادة وصلة المعالجة المسبقة: لتقليل عبء العمل على معدات التحكم في المواد الصلبة، وتحسين تأثيرها، يُمكن زيادة وصلة المعالجة المسبقة في الواجهة الأمامية لنظام التحكم في المواد الصلبة. على سبيل المثال، استخدام أجهزة الترسيب المسبق، بحيث تدخل بعض جزيئات الطور الصلب الأكبر حجمًا في سائل الحفر قبل دخول معدات التحكم في المواد الصلبة للترسيب والفصل الأولي، مما يُقلل ضغط المعالجة في المعدات اللاحقة.

احتياطي الطاقة وضمانها: نظرًا للصعوبات المحتملة في توفير الطاقة في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة، تم تجهيز معدات احتياطية كافية للطاقة، مثل المولدات الاحتياطية وخزانات تخزين النفط. وفي الوقت نفسه، تم إنشاء نظام متكامل لإدارة الطاقة، ومراقبة استهلاك الطاقة وتحليله آنيًا، وتنظيم استخدامه بكفاءة، لضمان استمرار عمل نظام التحكم المتين في حالة عدم استقرار إمدادات الطاقة.

الميزات الرئيسية لنظام التحكم الصلب في منصة الحفر المبردة من حيث التصميم والإنتاج.

١. استخدام مواد عازلة حراريًا لتغليف خزانات المعدات والأنابيب وغيرها لتقليل تبديد الحرارة، وتركيب أجهزة تسخين داخل الخزانات، مثل ملفات التسخين بالبخار وعناصر التسخين الكهربائية، لمنع تجمد سوائل الحفر. كما زُوّد النظام بغطاء حراري، ودرجة الحرارة الداخلية لا تقل عن ١٠ درجات مئوية.

2. المكونات الرئيسية مصنوعة من مواد منخفضة الحرارة، باستخدام أختام مقاومة للبرد ومواد تشحيم منخفضة الحرارة، والتي يمكنها العمل بشكل طبيعي في درجات حرارة منخفضة، ويمكن لجميع المكونات ضمان التشغيل الطبيعي في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية؛

3. التصميم المتكرر للمكونات الرئيسية يقلل من وقت التوقف عن الصيانة في درجات الحرارة المنخفضة.

五. تُستخدم أنظمة التحكم الصلبة في منصات الحفر المبردة بشكل أساسي في بعض السيناريوهات التالية:

1. حفر المناطق القطبية: مثل القارة القطبية الجنوبية والقطب الشمالي والبيئات القطبية الأخرى؛

2. حفر المناطق الباردة في الجبال العالية والهضاب: بعض السلاسل الجبلية المرتفعة ومناطق الهضاب؛

3. حفر آبار النفط والغاز البرية في ظل الظروف المناخية الباردة: في بعض خطوط العرض المرتفعة أو المناطق الباردة الداخلية؛

4. الحفر البحري البارد: في المناطق البحرية ذات خطوط العرض العالية.

يُعد نظام التحكم في المواد الصلبة في منصات الحفر المبردة، باعتباره جهازًا أساسيًا للتعامل مع عمليات الحفر في بيئات شديدة البرودة، ذا أهمية بالغة لضمان استقرار أداء سائل الحفر، وتحسين كفاءة الحفر، وخفض تكاليف التشغيل، وحماية البيئة. مع تزايد استكشاف وتطوير موارد النفط والغاز في المناطق منخفضة الحرارة، يواجه نظام التحكم في المواد الصلبة في منصات الحفر منخفضة الحرارة المزيد من التحديات والفرص. ومن خلال التغلب المستمر على المشكلات التقنية وابتكار مفاهيم التطوير، سيحقق نظام التحكم في المواد الصلبة في منصات الحفر المبردة تقدمًا كبيرًا في مجالات الذكاء الاصطناعي، وتوفير الطاقة، وحماية البيئة، وتكامل المعدات في المستقبل.